不敢想,永遠沒有科學的進步。科學的每一次躍進式發展,都是在繼承中顛覆原來對世界的認知。反粒子就是在這樣的認知顛覆中被發現的。
1927年,25歲的狄拉克對於當時世上發現的唯一基本粒子:電子做出一個大膽的猜想。他認為電子作為基本粒子極容易加速到接近光速,因此要描述高速的電子運動軌跡,應該考慮將相對論與量子力學結合起來,於是他把相對論的場方程引入到了當時描述微觀粒子的薛定諤方程,建立了相對論性質的波動方程,這就是狄拉克方程。
在求解狄拉克方程中會出現能量的平方,這樣求解電子能量E時,就會出現兩個解:一個正解,一個負解。
而按照當時科學界的一般認知,都會想當然的捨去不合理的負解,因為負能量的一個與常識違背的東西。
比如一輛具有負能量的車,踩油門不僅不會加速還會使車停下來,而剎車反而會讓車跑起來。正因為這種奇怪的結論,讓當時所有的科學家幾乎都難以接受負能量的存在,海森堡就曾稱如接受負能量“這是現代物理學的悲哀”。
但狄拉克對此卻很堅持,於是他積極思考一套理論,以解釋負能量存在的可能。
狄拉克把以往一直視為一無所有的真空,解釋為是被負能量的電子組成的汪洋大海,這就是後來人們所說的“狄拉克之海”。
在這片大海中,均勻地覆蓋了負能量的電子,所以我們完全察覺不到,也檢查不出。但如果一旦其中一個負能量的電子從負能級上被激發出來,就會留下一個“空穴”。
而“空穴”就會負能量不足和負電荷不足,負能量不足就表現出正能量,負電荷不足就表現出正電荷。
一個帶正電荷的電子,就是反電子,也就是所謂的反粒子中的一種。正是狄拉克的這一猜想宣告了反粒子觀念的誕生。
剩下的就只是如何從實驗中,找到狄拉克預言的反粒子了。而1932年,美國物理學家卡爾·安德森就在雲室裡從宇宙射線中發現了正電子。
最後所有的實驗也證明,在粒子反應中只要有足夠的能量使得動量守恆,並轉化為質量,就能產生正反粒子對。
1955年,第一個反質子也在美國的實驗室中被發現,隨後是反中子,到20世紀60年代,基本上所有粒子的反粒子都被科學界所找到。
大膽想象,小心求證,是科學得以發展的一條重要原則。
反粒子、反物質的出現,也表明了宇宙遠沒有我們想的那麼簡單。
一個好的科學家應該具有足夠敏銳的想象能力,以及嚴謹的求證精神,但隨著科學探索進入越來越不可測的微觀領域、及不可見的宏觀領域,實驗派已經跟不上理論派的步伐,唯有數學這一工具還能遊刃有餘。
現代許多猜測的天體、物質或現象,其實都是源於一個匪夷所思的數學上的解,但要驗證這些有趣的解,可能需要花上人類實驗科學家們上百年的時間。
不敢想,永遠沒有科學的進步。科學的每一次躍進式發展,都是在繼承中顛覆原來對世界的認知。反粒子就是在這樣的認知顛覆中被發現的。
一個負解的出現,掀起了物理學界的質疑。1927年,25歲的狄拉克對於當時世上發現的唯一基本粒子:電子做出一個大膽的猜想。他認為電子作為基本粒子極容易加速到接近光速,因此要描述高速的電子運動軌跡,應該考慮將相對論與量子力學結合起來,於是他把相對論的場方程引入到了當時描述微觀粒子的薛定諤方程,建立了相對論性質的波動方程,這就是狄拉克方程。
在求解狄拉克方程中會出現能量的平方,這樣求解電子能量E時,就會出現兩個解:一個正解,一個負解。
而按照當時科學界的一般認知,都會想當然的捨去不合理的負解,因為負能量的一個與常識違背的東西。
比如一輛具有負能量的車,踩油門不僅不會加速還會使車停下來,而剎車反而會讓車跑起來。正因為這種奇怪的結論,讓當時所有的科學家幾乎都難以接受負能量的存在,海森堡就曾稱如接受負能量“這是現代物理學的悲哀”。
但狄拉克對此卻很堅持,於是他積極思考一套理論,以解釋負能量存在的可能。
石破天驚的真空假設,真空就是一個負能量場。狄拉克把以往一直視為一無所有的真空,解釋為是被負能量的電子組成的汪洋大海,這就是後來人們所說的“狄拉克之海”。
在這片大海中,均勻地覆蓋了負能量的電子,所以我們完全察覺不到,也檢查不出。但如果一旦其中一個負能量的電子從負能級上被激發出來,就會留下一個“空穴”。
而“空穴”就會負能量不足和負電荷不足,負能量不足就表現出正能量,負電荷不足就表現出正電荷。
一個帶正電荷的電子,就是反電子,也就是所謂的反粒子中的一種。正是狄拉克的這一猜想宣告了反粒子觀念的誕生。
剩下的就只是如何從實驗中,找到狄拉克預言的反粒子了。而1932年,美國物理學家卡爾·安德森就在雲室裡從宇宙射線中發現了正電子。
最後所有的實驗也證明,在粒子反應中只要有足夠的能量使得動量守恆,並轉化為質量,就能產生正反粒子對。
1955年,第一個反質子也在美國的實驗室中被發現,隨後是反中子,到20世紀60年代,基本上所有粒子的反粒子都被科學界所找到。
結論大膽想象,小心求證,是科學得以發展的一條重要原則。
反粒子、反物質的出現,也表明了宇宙遠沒有我們想的那麼簡單。
一個好的科學家應該具有足夠敏銳的想象能力,以及嚴謹的求證精神,但隨著科學探索進入越來越不可測的微觀領域、及不可見的宏觀領域,實驗派已經跟不上理論派的步伐,唯有數學這一工具還能遊刃有餘。
現代許多猜測的天體、物質或現象,其實都是源於一個匪夷所思的數學上的解,但要驗證這些有趣的解,可能需要花上人類實驗科學家們上百年的時間。